알루미늄 합금(aluminum alloy)은 비행기의 날개 재료로, 강철(steel)은 자동차의 축(axle) 재료로 사용되며, 이와 같은 재료는 사용 중에 외부에서 가해지는 힘(하중, load)을 받게 됩니다. 그러므로 재료가 외부 하중을 받을 때 과도한 변형이나 파괴가 발생하지 않도록 주의 깊은 설계가 필요합니다. 재료의 기계적 거동이란 외부 하중에 대한 재료의 반응 정도를 나타내며, 이는 외부의 힘(하중)과 그에 따른 재료 변형 사이의 관계를 설명합니다. 중요한 기계적 성질로는 강도(strength), 경도(hardness), 연성(ductility), 그리고 강성도(stiffness)가 있습니다.
기계적 성질을 정확하게 측정하기 위해서는 실험실 조건을 실제 사용 환경과 유사하게 만들어야 합니다. 이를 위해 하중의 형태, 하중이 가해지는 기간, 그리고 주변의 환경 조건을 고려해야 합니다. 하중의 형태는 크게 인장(tension), 압축(compression), 그리고 전단(shear)으로 나눌 수 있으며, 하중의 크기는 시간에 따라 일정할 수도 있고, 계속 변화할 수도 있습니다. 예를 들어, 하중이 순간적으로 작용할 수도 있고, 수년 동안 지속될 수도 있습니다. 사용 온도 역시 중요한 고려 사항입니다.
기계적 성질은 재료 생산자, 소비자, 연구 기관, 정부 기관 등 다양한 이해관계자들이 중요하게 생각하는 요소입니다. 따라서 시험 방법과 결과의 해석에 일관성을 부여하는 것이 중요하며, 이를 위해 표준 시험 방식을 따릅니다. 미국에서 가장 활동적인 표준화 기관은 ASTM(American Society for Testing and Materials)입니다. ASTM은 기계적 시험을 위한 표준 시험법을 제공하며, 이 표준들은 매년 갱신됩니다.
구조물의 설계를 담당하는 기술자는 주어진 하중 조건에서 구조물의 한 부분이 받는 응력(stress)의 크기와 분포를 결정하는 역할을 합니다. 이러한 응력과 그 분포는 실험적 방법이나 수학적 이론적 해석을 통해 구할 수 있습니다. 이는 일반적으로 응력 해석이나 재료 강도학에서 다루는 내용입니다.
재료의 선택은 기계적 성질뿐 아니라, 내부의 미세 조직과의 관계를 이해하는 것도 중요합니다. 재료의 미세조직과 기계적 성질 사이의 관계를 잘 이해해야만, 실제 사용 환경에서 요구되는 성능을 만족할 수 있도록 적절한 재료를 설계하고 생산할 수 있습니다.
응력과 변형률의 개념
구조물의 단면에 균일하게 하중이 작용하거나 하중이 시간에 따라 천천히 변하는 경우, 그 기계적 거동을 단순한 응력-변형률(stress-strain) 시험을 통해 확인할 수 있습니다. 금속 재료에 대한 이러한 시험은 보통 상온에서 수행됩니다. 하중을 가하는 방법에는 세 가지 주된 방식인 인장(tension), 압축(compression), 그리고 전단(shear)있으며, 모두 힘이 가해지는 방식이 다릅니다. 다음의 그림은 각각의 경우에 따라 힘이 가해지는 방식을 나타낸 것입니다.
인장 시험
응력-변형률 시험은 일반적으로 인장 하중 하에서 행해지며, 이를 통해 재료의 기계적 성질을 측정합니다. 시편을 길이 방향으로 인장하면 변형이 일어나고, 결국에는 시편이 파단됩니다. 다음 그림은 표준 인장 시편을 나타낸 것입니다. 표준 인장 시편의 단면은 주로 원형이지만, 사각형 시편도 사용됩니다. 시편의 단면적은 하중이 집중되는 부분에서 균일하게 유지되며, 시험 중 변형이 발생하는 곳입니다.
인장 시험의 결과는 하중 대 신장량을 기록한 스트립 차트(strip chart)로 나타납니다. 이러한 하중-변위 곡선은 시편의 크기에 따라 달라지며, 예를 들어 시편의 단면적이 두 배가 되면 같은 신장량을 얻기 위해 두 배의 힘이 필요합니다. 따라서 기하학적 요소를 최소화하기 위해 하중은 공칭 응력(engineering stress)으로, 변형은 공칭 변형률(engineering strain)로 나타냅니다.
공칭 응력(σ)은 다음 수식과 같이 정의됩니다.
여기서 F는 시편 단면에 수직으로 작용하는 하중을 나타내기 때문에 단위는 뉴턴(N)이다. A₀는 하중이 가해지기 전의 초기 단면적이기 때문에 단위는 ㎡ 이다. 1 MPa = 10^6 N/ ㎡ 이므로 공칭 응력의 단위는 메가파스칼(MPa)이다.
공칭 변형률(ϵ)은 다음과 같이 정의됩니다.
여기서 l₀는 초기 길이, l_i는 하중이 가해진 후의 길이를 나타냅니다. l₀ 과 l_i 모두 길이를 나타내기 때문에 m/m로 단위가 소거됩니다. 따라서 변형률은 보통 단위가 없으며, 퍼센트(%)로 나타내기도 합니다.
압축 시험
압축 시험은 인장 시험과 유사하지만, 하중이 압축 방향으로 작용하여 시편이 길이 방향으로 압축된다는 점이 다릅니다. 압축 응력과 변형률은 인장 시험에서 사용한 식과 동일하게 정의되지만, 힘과 변형률은 음수로 표시됩니다. 압축 시험은 재료가 취성(brittle)이 큰 경우나 매우 큰 소성 변형(plastic deformation)을 필요로 할 때 주로 사용됩니다.
전단(비틀림) 시험
전단 시험은 하중이 시편의 표면에 평행하게 작용할 때 발생하며, 전단 응력(τ)은 다음과 같이 정의됩니다.
여기서 F는 평행하게 가해진 힘이며, A₀는 하중이 가해진 면적입니다. 전단 변형률(γ)은 변형 각도(θ)로 정의되며, 전단 시험을 통해 전단 응력과 변형률을 측정할 수 있습니다.
비틀림은 순수 전단 변형의 한 예로, 구조재가 비틀리는 경우에 발생합니다. 비틀림 하중이 가해지면 구조물의 한쪽 끝은 다른 쪽 끝에 대해 축을 중심으로 회전하게 됩니다. 비틀림 하중은 기계 축, 구동 샤프트, 비트 드릴 등에서 자주 발생하며, 비틀림 시험은 실린더형 샤프트나 튜브를 이용해 진행됩니다.
재료의 기계적 성질과 하중에 대한 반응은 구조물의 설계와 안전성에 매우 중요한 요소입니다. 이를 제대로 이해하기 위해서는 기초적인 응력-변형률 개념과 각종 시험 방법을 알아야 하며, 실험 결과를 바탕으로 적합한 재료를 선택할 수 있어야 합니다.
